一種全自動可避障蜜桃采摘機的設計

劉磊　劉恩林　王春森

摘要：研發了一種全自動可避障蜜桃采摘機，該裝置包括機械系統、動力系統和視覺識別系統。機械系統由六輪蝦形可避障底盤、六自由度機械臂和防蜜桃損傷機械手構成。動力系統包括電動機汽缸和皮帶等動力機構構成。視覺識別系統包括光學相機、紅外熱像儀和雙目式攝像頭構成。機器依靠其特殊的六輪蝦形可避障底盤可以在崎嶇的地形進行工作。通過機械臂與機械手的相互協調配合，其特有的視覺識別系統可以完全代替人類對蜜桃實現全自動采摘，大大節省了勞動力，其本身具有良好的創新性和發展性。

關鍵詞：全自動；避障；蜜桃采摘；機械臂；創新性

中圖分類號：S22593文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.10.009

0引言

在果蔬生產作業中，收獲采摘約占整個作業量的40%。采摘作業質量的好壞直接影響到果蔬的儲存、加工和銷售，從而最終影響市場價格和經濟效益[1]。國內的采摘機器人的起步較晚，與國外發達國家的水平還有一定的差距，亟需我們學習國外先進的設計思想與技術，創造出適合于我國發展的果蔬采摘機械。

蜜桃的主要經濟栽培區在華東華北各省市，較為集中的地區有山東蒙陰、肥城、青島、河南開封、商水、河北遵化、深縣等。這些地區的地形多以低緩的丘陵，起伏的山嶺為主，為桃樹的生長提供了有利的地形條件，同時，也為蜜桃成熟時的采摘帶來了極大的不便。

目前，蜜桃的采摘大多以人工采摘為主，而且蜜桃的成熟期很短，在成熟時如果不能及時采摘，容易導致其掉落、腐爛，造成果農的經濟損失，所以在采摘時勞動強度大，但效率不高。現在市場上還沒有完全可以克服崎嶇地形、可越障、自動采摘蜜桃的機器。為了提高果農的經濟效益、降低果農的勞動強度與生產成本，研發高效、安全、經濟實用的多功能山地果園機械對我國的農林產業結構調整具有重大意義[2]。

1整體結構及其工作原理

一種全自動可避障蜜桃采摘機的整體結構包括六輪蝦形底盤部分、六自由度機械臂部分、采摘機械手部分、視覺識別部分、動力傳輸部分。其中，六輪蝦形底盤部分主要包括頭部、主體、側身、尾部四部分，其車輪采用防爆蜂窩輪胎。機械臂腰關節通過皮帶與固定在底盤上的電機實現轉動，大臂、小臂都是由型材截斷制成，肩關節和肘關節通過鉸接件連接，由電機控制轉向。機械手是由平移機構、旋轉機構和夾取機構組成，通過舵機與機械臂連接。雙目攝像頭安裝在小臂上，模擬人的雙眼，采集蜜桃果實的數據傳回小型PC處理器。

1.1采集圖像

整臺機器共有三臺光學相機、一臺紅外熱像儀和一臺雙目式攝像機，各圖像采集機器之間分工明確。底盤前的兩臺光學相機和紅外熱像儀用于采集機器人工作時前方及兩側的環境圖像；尾部上側的光學相機用于采集機器人后方的環境圖像；采摘機械手后部的雙目式攝像頭用于采集并識別桃樹上蜜桃及準確位置圖像。

1.2自動避障

當光學相機以及紅外攝像儀將采集好的圖像數據傳回到處理器，處理器自動對圖像中的障礙進行分析識別，形成脈沖信號反饋，通過對六個車輪的控制，使他們之間相互配合，實現自動避障。

1.3摘取蜜桃

當雙目式攝像頭將采集好的圖像數據傳回到處理器，處理器根據圖像中顏色的不同，識別出蜜桃并確定蜜桃所處的空間位置，處理器將形成脈沖信號反饋到機械臂伺服電機上，使它們調整各自的位置；并對機械手的旋轉機構和平移機構進行微調，使其到達蜜桃所在的位置；最后通過舵機對機械手控制，將蜜桃目標成功從樹上采摘下。

1.4運送果實

將采摘下的蜜桃放到底盤上裝載的桃箱中，機器人與桃箱下底面接觸的位置安裝了重量傳感器，當蜜桃及桃箱的總重量達到機器人設置的預算重量時，機器人停止采摘，會把采摘的蜜桃按原路運回到最開始設計的收集地點。

2創新點

（1）采用六輪蝦形可避障底盤，通過底盤前部的兩臺光學相機和一臺紅外熱像儀對機器人運行工作時的地形進行識別成像傳輸到PC處理器，處理器對圖像進行處理，形成信號反饋，對車輪進行控制，及時完成避障。

（2）機器的底盤部分采用八臺伺服電機進行驅動，機械臂部分采用三臺伺服電機進行驅動，各伺服電機之間相互協調配合，使得整個機器更加靈活。

（3）采用大密度的蜂窩輪，防止輪胎在地形崎嶇的地方工作時產生扎帶、爆胎等現象，阻礙機器的正常運行；底盤的頭部、尾部都安裝緩沖機構，使得機器運行工作時更加平穩。

（4）機械手夾取機構由三根排列均勻的機械手指組成，每根機械手指腹部都附著橡膠層，以減少對蜜桃的損傷。機械手的滑移機構以及旋轉機構，可以使機械手在小空間內移動、旋轉，對果實進行準確地采摘。

（5）機械手后部安裝的雙目式攝像頭，其視覺范圍與人眼視覺范圍相同，可代替人工操作，實現全自動采摘。

3總結

本設計基于桃樹種植地區的崎嶇復雜地形，蜜桃的顏色識別，通過創新性設計，實現了可避障、全自動采摘及運輸等功能。該機器人可代替人類來對蜜桃進行采摘，具有較強的環境適應能力。通過這臺機器人，果農只需將蜜桃裝車即可，減輕了他們勞動負擔。總之，該機器具有很好發展情景，一定會成為果農的好幫手。

參考文獻：

[1]宋健，張鐵中，徐麗明，等.果蔬采摘機器人研究進展與展望[J].農業機械學報，2006（5）：158.

[2]章江麗，陳順偉，莊曉偉，等.南方丘陵山地果園采摘機械的現狀[J].林業機械與木工設備，2014（9）：4.endprint